撰稿 | 關耳（季華實驗室）
還記得于2012年上映，成龍主演的電影《十二生肖》嗎？其中一個片段以非常形象的手法展現了一種對三維獸首進行掃描并複制重制的未來技術概念——3D列印。而在現實世界，科技前進的步伐是不可阻擋的。
我國在去年成功完成首次太空3D列印，對空間站在軌擴建和長期運作具有重要意義。近期，某太空公司也宣稱将利用這項技術來制造火箭的所有零部件并計劃于2022年進行全3D列印火箭的發射。3D列印技術正展現出非凡的發展潛力與活力。
圖1：3D列印技術
3D列印技術又稱增材制造（Additive manufacturing），是一種以數字模型檔案為基礎，将可粘合材料逐層疊加以建構現實三維物體的技術。作為“決定未來經濟的12大颠覆技術”之一和第三次工業革命的引擎，3D列印标志着從傳統制造邁向智能制造的巨大産業變革，引發了新的技術革命浪潮。
與傳統制造技術相比，3D列印技術具有“去模具、減廢料和降庫存”等特點，在生産上可以優化結構、節約材料和節省能源，極大提高制造效率，實作“設計引導制造”的創新理念。
圖2：通用3D列印流程
圖源：Zhang et al. ACM Trans. Multimedia Comput. Commun. Appl. 2015, 12, 2
發展曆程
縱觀3D列印技術的發展史，最早可追溯至1984年由美國科學家Charles Hull發明的立體光固化成型技術（Stereolithography appearance，SLA）。随後又逐漸發展出選擇性雷射燒結（Selective laser sintering, SLS）、選擇性雷射熔化（Selective laser melting, SLM）、微噴射粘結成型（Three dimensional printing and gluing, 3DP）等技術。
進入21世紀以來，3D列印技術有了全新的突破，全球正式進入3D列印的高速發展階段，并在大類技術的細分下逐漸湧現出了各式各樣的革新式小類工藝，以滿足特定行業需求，與傳統制造業形成有效互補。
3D列印方法分類
根據國際标準化組織轄下增材制造技術委員會釋出的ISO/ASTM 52900: 2015标準，3D列印工藝方案主要分為七大類。
一、材料擠出型
Material extrusion
通過噴嘴或孔口等有選擇地沉積材料。如熔融沉積成型（Fused deposition modelling, FDM），是一種最為直覺也最常見的列印方式。在列印時，裝置将絲狀熱熔性材料加熱熔化，通過帶有微細噴嘴的噴頭将材料擠出并選擇性地沉積在平台上，冷卻後形成一層截面，這樣逐層列印直至形成整個實體。列印材料主要為聚合物和塑膠，包括聚乳酸PLA、熱塑性聚氨酯彈性體TPU和丙烯腈丁二烯苯乙烯ABS等。
優點：裝置和耗材的價格低廉、材料範圍廣、列印産品強度高。
缺點：列印精度較低、列印樣件表面粗糙度大。
二、光聚合成型
Vat photopolymerization
使用特定波長的光對液态聚合物進行選擇性光固化。這類技術使用的材料是光敏樹脂，在光照下樹脂發生從液态到固态的形态轉變，進而實作列印過程。根據光源類型、照射方式和成型方式的不同，可分為立體光刻成型（Stereolithography appearance, SLA）和數字光處理（Digital light processing, DLP）等，其原理及列印過程均不同。其中，SLA使用雷射逐點掃描液态樹脂面，點-線-面順序固化以完成一個層面的成型，再配合成型平台的移動層層疊加構成三維實體。DLP則采用整面曝光進行一個層面的成型，光源多為LED紫外光源，每層曝光圖形由數字動态掩模晶片等空間光調制器生成。
優點：加工精度高、列印成品表面光滑、整面曝光成型效率高。
缺點：材料範圍受限、材料性能較弱。
三、定向能量沉積型
Directed energy deposition
利用聚焦熱能熔化材料的即熔即沉積工藝。主要包括雷射同步送粉（LENS，LBMD，LSF）和電子束熔絲沉積（Electron beam direct manufacturing, EBDM）等，多用于建構或修複現有結構。其過程為，雷射束等能量源在沉積區域産生熔池并高速移動，噴嘴将絲狀或粉末狀材料（如钛和钴鉻合金）送入高溫區被加熱至熔點，熔化後逐層沉積。噴嘴或工作台安裝在高度可移動的臂上，進而能夠高度靈活地移動。
優點：無需支撐、加工靈活性高、可以實作構件的高效率制備和修複。
缺點：加工表面精度受限、成型樣件需再加工（如配合銑床等）、難以修複結構複雜的零件。
四、材料噴射型
Material jetting
2D噴墨列印機的三維進化版。材料噴射可分為連續材料噴射（Continuous material jetting, CMJ）、納米顆粒噴射（Nanoparticles jetting, NPJ）和按需滴落（Drop on-demand, DOD）。其基本原理是使用帶電偏轉闆和電磁場，将噴射出的材料精确地定位在列印平台上，并利用紫外光源進行固化成型。材料噴射與上文中的立體光刻成型（SLA）非常相似，不同在于前者可以一次噴射出數百個微小液滴，而SLA則是在整桶樹脂中，通過雷射選擇性地逐點固化。噴射的光敏液滴材料則包含聚合物和塑膠，如丙烯腈丁二烯苯乙烯ABS和聚丙烯PP等。
優點：可實作高度精準的全彩快速列印，增加原型和最終部件美學品質。
缺點：材料範圍有限、價格昂貴、需要後處理以去除多餘的材料。
五、粘合劑噴射成型
Binder Jetting
也稱微噴射粘結成型（Three dimensional printing and gluing, 3DP），是通過粘合劑噴射來實作粉末成型。主要過程是将陶瓷或聚合物等粉末狀材料裝入容器中，使用噴墨列印頭将粘合劑噴射至粉末中，如同沙子與水混合會形成更堅固的結構，一層粉末會在選擇區域内發生粘合，重複這個過程，下一層粉末會與上一層粉層通過粘合劑的滲透結合為一體，進而層層堆疊成型。當使用材料是金屬和陶瓷材料時，需要通過高溫燒結去除粘合劑并實作粉末顆粒間的冶金結合，使成品具有一定的強度與密度。
優點：成型效率高，可同批次列印不同顔色，無需支撐結構。
缺點：粗糙度大、成型件緻密度較低，對于金屬和陶瓷等需脫脂燒結等後處理工藝，對于聚合物可能需要添加蠟等以增加結構強度。
六、粉末床熔融成型
Powder bed fusion
這是另一種基于粉末床的方法，主要用于金屬部件的列印制造。與前面所述的列印方法不同，粉末床熔融不涉及沉積粘合劑來實作列印，主要代表有選擇性雷射燒結（Selective laser sintering, SLS）、選擇性雷射熔化（Selective laser melting, SLM）和電子束選區熔化（Electron-beam selective melting, EBSM）等。粉末床熔融的過程大體為，使用鋪粉輥将存放在料鬥和貯料器内的粉末材料均勻地塗覆在列印平台表面上，在真空環境下，利用高功率雷射或電子束等高能束來熔化和燒結粉末，使之結合在一起，随後再塗覆一層粉末進行下一層燒結，直至形成整個實體。其中，電子束選區熔化會對粉末床進行預熱，整個腔室溫度最高可達上千度，極大程度降低成形零件的殘餘應力；SLS需要添加額外的粘結劑，如低熔點金屬或者樹脂材料等。
優點：精度高，可列印金屬（如钛、鋁、銅、不鏽鋼和高溫合金等）、陶瓷和尼龍等多種材料。
缺點：成本高，在列印大尺寸物體時容易發生翹曲，速度較慢。
七、片材層壓型
Sheet lamination
将材料進行雷射切割後以粘結劑或焊接的方式結合在一起形成實體。與上文列出的其他工藝方法均不同，片材層壓列印技術可用材料除了金屬闆，甚至還有紙等幾乎其他任何可以卷曲的材料。片材層壓主要包含分層實體制造（LOM）和超音波增材制造（Ultrasonic additive manufacturing, UAM）等。LOM是利用膠水将多層紙粘合并用鋒利的刀切割，無需加熱或熔化。每張紙的切割方式略有不同。UAM是使用超音波焊接機來粘合金屬片或金屬帶，每個金屬層都被軋制在生長的結構上，最大的技術優勢是低溫，适用于對溫度敏感的低熔點材料。
優點：成型速度快，精度高，翹曲變形小。
缺點：層間粘接差，成型樣件結構強度存在明顯的各向異性，材料的使用率較低，隻能制作簡單結構部件。
應用執行個體
在科研及産業界大量研發投入的驅動下，3D列印對制造業的更新能力以創新為宗旨，從應用端的引入深度和廣度切入，為各下遊行業進行價值賦能和創造革命，覆寫領域包括航天軍工、汽車船舶、能源動力、生命醫療、文化創意和建築等。
圖3：深藍火箭試驗飛行
在航空和能源領域，近期，美國Arris Composites與空中客車公司合作在3D列印碳纖維複合材料市場發力批量制造，打造輕量型客艙支架；索爾維與OEM 9T Labs合作将3D列印碳纖維增強塑膠部件引入量産，用于生産航空、自動化和石油天然氣等行業所需的中小尺寸零部件。
回顧國内，3D列印産業在《中國制造2025》的引導下迎來高速發展契機，正助力國内商業火箭的快速發展。2021年2月，重慶壹零空間首次采用3D列印姿控動力系統産品飛行，2021年7月，由3D列印制造發動機的深藍航天液體火箭低空垂直回收飛行試驗成功。可見3D列印已催生火箭制造的新賽道，并逐漸成為火箭制造過程中的重要支撐技術。
在制造醫療假體方面的發展則不僅僅局限在骨科、假耳等，還包括眼部假體，2021年11月，德國Fraunhofer弗勞恩霍夫研究所在3D列印假眼臨床應用方面的突破表明3D列印制造醫療假體的商業化趨勢。
相信随着需求的不斷挖掘、政策的持續引導和行業标準的逐漸規範化，3D列印應用的廣度和深度将進一步加速拓展。
圖4：3D列印仿生眼球
3D列印技術從1980s誕生至今隻有短短三十多年，卻正在引領世界性的制造業革命。作為“網際網路+智能制造”的代表，它幾乎完美地滿足了定制與大規模生産的要求，并在衆多領域展現出無限的創造性。3D列印産業正進入成長期，預計到2026年全球3D列印産值有望達到372億美元，全球競争已拉開序幕。但如何實作精密化、智能化、通用化和便捷化是擺在3D列印技術面前的重要課題，期待在其不斷完善與精進的路上能夠為未來智能制造帶來裡程碑式的變化。
參 考 資 料：
1. Jake Port. How does 3D printing work? , cosmosmagazine, 7 December 2021
2. 《3D列印與工業制造》——機械工業出版社
3. 2021年3D列印行業深度研究報告——西部證券
監制 | 趙陽
編輯 | 趙唯
轉載内容僅代表作者觀點
不代表中科院實體所立場
來源：先進制造
編輯：Garrett